張進(jìn)寶 張 帆 陳 磊

(天津市建筑設(shè)計院，天津 300074)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

某商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

張進(jìn)寶 張 帆 陳 磊

(天津市建筑設(shè)計院，天津 300074)

結(jié)合某商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實例，為滿足建筑的造型和空間需求，對結(jié)構(gòu)存在樓層局部收進(jìn)以及樓板局部不連續(xù)等超限現(xiàn)象進(jìn)行了探討，并采用多種有限元模型分析軟件作了研究，根據(jù)分析結(jié)果提出了解決措施，使結(jié)構(gòu)達(dá)到安全可靠的目標(biāo)。

“桶箍”效應(yīng)，抗扭剛度，樓層局部收進(jìn)，樓板局部不連續(xù)

1 工程概況

該商業(yè)項目，地處天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西區(qū)，基地規(guī)劃總用地面積為28 560.8 m2，用地為城市空地，地勢平坦。場地內(nèi)一、二期分期建設(shè)，東側(cè)為一期，西側(cè)為二期。本次設(shè)計范圍為一期工程，性質(zhì)為商業(yè)綜合體建筑，總建筑面積為16 026.94 m2，其中地上15 410.46 m2，地下616.48 m2。建筑總高度21.40 m，地上4層：首層5.7 m，二層和三層5.4 m，四層4.5 m；局部設(shè)置1層地下室，地下室層高為4.50 m。建筑效果圖見圖1。

2 結(jié)構(gòu)體系

本工程平面體型不規(guī)則，上面部分為等邊三角形，下面為平行四邊形，中間有相交部分。除平面體型外，豎向體型也存在較大收進(jìn)，即二層以上收進(jìn)形成“葉形”平面。

經(jīng)過比較，確定采用框剪結(jié)構(gòu)體系：在平行四邊形和等邊三角形的轉(zhuǎn)角處設(shè)置剪力墻，最大墻厚為700 mm，隨高度增加逐步減小為350 mm；框架柱截面普遍為700 mm×700 mm，局部由于建筑需要改為φ700 mm圓柱；建筑物周邊以強(qiáng)框架梁連接，形成“桶箍”效應(yīng)。這樣便較為理想解決了純混凝土框架體系在層間位移角和扭轉(zhuǎn)位移比上出現(xiàn)的不足(見表1)。

表1 主要指標(biāo)對比

3 基礎(chǔ)設(shè)計

本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，建筑樁基設(shè)計等級也為甲級，設(shè)計分析計算采用JCCAD。根據(jù)詳勘報告所提供的資料，該工程場地類別為Ⅳ類，非液化場地，原始地貌屬于沖積～海積平原，土層分布較為均勻，以粉土，粉質(zhì)粘土為主，但在淺基礎(chǔ)范圍內(nèi)存在⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，呈流塑狀態(tài)，具有高靈敏，低強(qiáng)度，極易發(fā)生擾動的特殊性，工程性質(zhì)極差。所以，根據(jù)場地的實際情況和柱底內(nèi)力情況，工程采用預(yù)制鋼筋混凝土方樁基礎(chǔ)。預(yù)制鋼筋混凝土方樁具有樁身承載力高，質(zhì)量可靠，施工質(zhì)量比灌注樁易于保證，而且施工方便快捷等優(yōu)點。樁端持力層定為⑨3層(粉質(zhì)粘土)，樁長30 m，截面為500 mm×500 mm，工程樁靜載試樁所得到的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為3 050 kN。多數(shù)為多樁承臺(兩樁～六樁)，局部有單樁承臺，雙向設(shè)置拉梁。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)建筑物功能特性，工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類確定為重點設(shè)防類(乙類)，設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g；場地類別為 Ⅳ 類，場地特征周期為0.75 s；基本風(fēng)壓為0.55 kPa(50年重現(xiàn)期)，地面粗糙度為C類。周期折減系數(shù)取為0.8。

4.2 結(jié)構(gòu)整體分析

結(jié)構(gòu)整體分析采用PKPM系列的SATWE，并采用CSI系列的ETABS(9.7.4)進(jìn)行復(fù)核。主要整體指標(biāo)詳見表2。

表2 結(jié)構(gòu)主要整體指標(biāo)對比

ETABS中剪力墻采用殼單元模擬，梁柱均采用桿單元，樓板采用膜單元模擬，對于與剪力墻面內(nèi)相連且跨高比小于5的連梁采用殼單元模擬。ETABS整體分析模型見圖2。

4.3 分析結(jié)果

由表2可以看出，ETABS與SATWE的分析結(jié)果基本一致，誤差范圍小于5%。結(jié)構(gòu)的周期比、剪重比、層間位移角等總體性指標(biāo)均滿足規(guī)范指標(biāo)。而且從結(jié)構(gòu)的周期比小于0.85，扭轉(zhuǎn)位移比小于1.20，可知結(jié)構(gòu)的整體抗扭性能出色。

經(jīng)過對兩種力學(xué)模型的周期，周期比以及位移比等指標(biāo)的對比，發(fā)現(xiàn)ETABS模型的結(jié)構(gòu)抗扭性能更加出色。筆者判斷其中的原因為：與連梁和剪力墻之間的約束形式有關(guān)。SATWE的連梁是采用桿單元建模，所以與剪力墻之間形成的是約束能力較差的點約束；而ETABS中連梁是采用殼單元建模，與剪力墻上的殼單元形成約束作用更強(qiáng)的線約束，從而形成抗側(cè)力效果更好的體系，分析結(jié)果更符合實際情況。

5 關(guān)于樓層局部收進(jìn)的設(shè)計措施

根據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范中第3.4.3條規(guī)定：“平面凹進(jìn)的尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%”，可判定為凹凸不規(guī)則，即樓層局部收緊。本工程等邊三角形部分在零層～二層區(qū)間腰長投影長度有102 m，而三層～屋面區(qū)間局部收進(jìn)近40%至63 m，如圖3所示。

體型收進(jìn)會造成結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)剛度不連續(xù)，在體型收進(jìn)結(jié)構(gòu)的層間位移會有突變，豎向構(gòu)件的內(nèi)力會明顯增大，尤其對建筑物周邊以及收進(jìn)處的豎向構(gòu)件，內(nèi)力突變更加明顯，對結(jié)構(gòu)整體抗震不利；另外，體型收進(jìn)還有可能造成偏心，底部相鄰結(jié)構(gòu)會因受到扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，從而底部結(jié)構(gòu)的周邊構(gòu)件內(nèi)力加大。以上兩點應(yīng)在構(gòu)件設(shè)計中予以足夠的重視。

從體型上來說，該工程具有典型的收進(jìn)結(jié)構(gòu)特征，而且經(jīng)過分析計算，通過表2可以發(fā)現(xiàn)地震作用下最大層間位移角均發(fā)生在第三層(收進(jìn)層)，并且相關(guān)構(gòu)件內(nèi)力與樓層偏心情況均符合上述特征(見圖4，圖5，表3)。所以，在后續(xù)構(gòu)件設(shè)計中對于相關(guān)構(gòu)件的抗彎與抗剪均采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

表3 收進(jìn)層偏心情況

層數(shù)質(zhì)心/m剛心/mXYXY二層58．75761．90159．01155．849三層(收進(jìn)層)51．80655．01953．81956．475偏心率/%886-0．7注：偏心率中符號表示方向

同一根框架柱在二層(左)與三層(右)的配筋比較見圖6。

為了確保樓板能夠在各工況下安全工作，在設(shè)計中主要采取了以下措施：樓板普遍厚度為120 mm，在樓板大開洞處和周邊相鄰部位以及樓層局部收進(jìn)部位，板厚增加到150 mm，并采用彈性板分析計算。同時，為更準(zhǔn)確的評估各工況下的樓板工作情況，采用有限元法對樓板應(yīng)力水平進(jìn)行分析。樓板采用殼單元模擬。分析結(jié)果如下：

1)在X，Y向的水平地震單工況下，全樓樓板的拉應(yīng)力水平較低，小于1 MPa，小于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度；但在剪力墻和樓板大開洞周邊等的剛度有較大突變的部位，尤其是剪力墻與面內(nèi)框架梁的交點處，出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，最大應(yīng)力水平約為5.5 MPa，遠(yuǎn)超過混凝土的抗拉強(qiáng)度。處理措施為拉應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)，剪力墻支座處配備足量附加鋼筋，適當(dāng)控制樓板裂縫水平。

2)在恒、活等豎向荷載組合作用下，如圖7所示的板塊，雖為四邊支撐，但從實際受力狀態(tài)來看，應(yīng)屬于三邊支撐的懸挑板，上部連續(xù)一側(cè)呈現(xiàn)出較大的負(fù)彎矩。究其原因在于，下端封口梁截面較小，支座效應(yīng)較弱。設(shè)計中應(yīng)對此處的支座負(fù)筋進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

6 中、大震下的結(jié)構(gòu)變形驗算

根據(jù)《抗規(guī)》中第5.5.2條：“7度Ⅲ，Ⅳ場地和8度時的乙類建筑中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行彈塑性變形驗算”的規(guī)定，并且進(jìn)一步掌握結(jié)構(gòu)在中、大震下的性能表現(xiàn)，以達(dá)到“中震可修、大震不倒”的性能目標(biāo)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震與罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算，分析采用PKPM的PUSH&EPDA模塊中的靜力推覆(PUSHOVER)分析方法進(jìn)行。

主要控制參數(shù)設(shè)置為：荷載類型為倒三角形；豎向荷載作用方式為桿間；材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值；桿元分段數(shù)為6。分析結(jié)果見圖8，圖9，表4。

從圖8，圖9的計算結(jié)果表明：在罕遇地震工況下，結(jié)構(gòu)的能力曲線在X，Y方向下均與需求曲線存在交點，即性能點，且與性能點所對應(yīng)的層間位移角均可滿足《抗規(guī)》中關(guān)于彈塑性層間位移角限值(1/100)的要求，說明結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的抗震要求。

表4 靜力彈塑性分析結(jié)果

7 結(jié)語

1)本工程體型復(fù)雜，平面不規(guī)則，經(jīng)過方案對比，框架剪力墻體系可以較好同時滿足結(jié)構(gòu)對于抗側(cè)剛度和延性的要求。而且通過剪力墻位置的合理布置，用強(qiáng)框梁與框架柱相連，形成“桶箍”效應(yīng)，為結(jié)構(gòu)提供良好的抗扭剛度。2)SATWE和ETABS對于連梁及其約束形式的不同處理方式，會對整體指標(biāo)造成相應(yīng)的影響。另外，對于剪力墻和樓板的劃分精度也會對結(jié)構(gòu)計算產(chǎn)生一定的影響。3)對于樓層局部收進(jìn)對結(jié)構(gòu)造成的抗側(cè)剛度突變，在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計時，應(yīng)對收進(jìn)層周邊的豎向構(gòu)件的抗剪和抗彎性能進(jìn)行著重加強(qiáng)；由樓層收進(jìn)產(chǎn)生的偏心會對結(jié)構(gòu)的抗扭不利，本例中采用加高周邊框架梁的方法較好的解決此類問題。4)由于框剪體系中框架和剪力墻的剛度差異，樓板在剛度突變處很容易形成應(yīng)力集中，應(yīng)注意對這些部位的樓板進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)；此外，對于支撐于懸挑梁上，從框架內(nèi)延伸出來的樓板，支座負(fù)筋應(yīng)予以適當(dāng)加強(qiáng)。5)根據(jù)靜力彈塑性分析的結(jié)果，結(jié)構(gòu)本身能夠滿足“大震不倒”的抗震要求。另外，在滿足結(jié)構(gòu)的抗震性能之外，也同時兼顧了建筑經(jīng)濟(jì)性的需求。

[1] GB 50007-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 史靜賢.淺談高層建筑體型收進(jìn)和外挑結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J].有色金屬設(shè)計,2010,37(1)：29-30.

[3] 方鄂華,程懋堃.關(guān)于規(guī)程中對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則控制方法的討論[J].建筑結(jié)構(gòu),2005,35(11)：61-63.

[4] PUSH&EPDA用戶手冊[M]．北京:中國建筑科學(xué)研究院，2008．

The design analysis on a commercial building structure

ZHANG Jin-bao ZHANG Fan CHEN Lei

(TianjinArchitecturalDesignInstitute,Tianjin300074,China)

Combining with the structure design of a commercial building as an example, in order to meet the architectural space and shape demands, this paper discussed the local income and floor partial discontinuity and other overrun phenomenon, and made research using many finite element model analysis software, based on the analysis results put forward some measures, to achieve safe and reliable target of structure.

“hoops” effect, torsional stiffness, floor local income, floor partial discontinuity

2014-07-14

張進(jìn)寶(1959- )，男，高級工程師； 張 帆(1986- )，男，工程師； 陳 磊(1981- )，男，工程師

1009-6825(2014)27-0032-03

TU247

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